مياه عذبة … أفكار مبتكرة هل يمكن للطاقة المتجددة أن ترسم مستقبل عمليات تحلية المياه؟

مياه الشرب توشك على النفاد.

بينما يزداد الطلب على المياه بسبب الزراعة والصناعة والتوسع الحضري والنمو السكاني، تتراجع الإمدادات بشكل ملحوظ بسبب التغير المناخي. فمقابل كل درجة مئوية واحدة من ظاهرة الاحتباس الحراري، 7٪ من بلدان العالم سيشهد جفاف 20٪ من موارد المياه المتجددة.[1] ومواجهة مشكلة ندرة المياه لا تتأتى إلا من خلال ترشيد الاستهلاك وإعادة الاستخدام ومحاولة توفير المزيد من المياه العذبة والحد من الإهدار.

وقد أوضحت شركة ماكنزى للاستشاراتMcKinsey & Company ، وبعبارة صارخة، “أن إمدادات المياه العذبة تتناقص بشكل مستمر بينما يتزايد الطلب عليها باطراد. ففي القرن العشرين، تضاعف عدد سكان العالم أربع مرات، بينما زاد معدل استهلاك المياه ستة أضعاف”.[2]

حقائق يصعب تصورها عن مشكلة ندرة المياه

• 1  من كل 3 أشخاص لا يمكنه الحصول على مياه شرب آمنة.[3]
• يستهلك الشرق الأوسط 203 مليار متر مكعب من المياه الصالحة للشرب سنويا[4]
• تواجه سبع عشرة دولة – يقطنها نحو ربع سكان العالم – مستويات “عالية للغاية” من الإجهاد المائي الأساسي[5].
• قد ينخفض ما هو متاح من المياه بنسبة تصل إلى 25٪ في العديد من أحواض المياه حول العالم بحلول عام 2050.[6]
• قد تصل تكلفة ندرة المياه في بعض المناطق إلى قرابة 6٪ من الناتج المحلي الإجمالي. كما أنها قد تؤدي إلى الهجرة الجماعية والصراعات.[7]

‘مياه البحر’ … معين لا ينضب للحصول على الماء

تحلية المياه هي عملية يتم فيها استخلاص الأملاح من المياه المالحة لغرض الحصول على مياه عذبة. وعلى الصعيد العالمي، يعتمد أكثر من 300 مليون شخص على تحلية المياه للحصول على مياه الشرب، وذلك وفقًا للجمعية الدولية لتحلية المياه.[8]

وأكثر الطرق شيوعًا هي التحلية الحرارية والتناضح العكسي. حيث تستخدم تقنية التحلية الحرارية الحرارة لتبخير المياه العذبة من مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة. أما عملية التناضح العكسي فتقوم على فصل المياه العذبة عن طريق دفع مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة عبر غشاء تحت ضغط مرتفع.

هناك أكثر من 17,000 محطة تحلية موجودة حول العالم. وتقوم تلك المحطات بإنتاج 107 مليون متر مكعب من المياه المحلاة يوميًا.[9]

بل أن ثمة العديد من البلدان التي لا تستطيع – ببساطة – أن تعيش بدون تلك المحطات. وبينما لا يمثل الشرق الأوسط من الاجمالي سوى أقل بقليل من نصف السعة الإجمالية، تعمل آسيا والصين والولايات المتحدة وأمريكا الجنوبية على زيادة قدرتها فيما تتعلق بتحلية المياه بسرعة.

لذلك، من الواضح أن لدينا التكنولوجيا ولدينا أيضا مصادر متجددة لا تنضب للمياه. فما هي المشكلة؟

تعتبر التكلفة والاستدامة من أبرز المعوقات التي تواجهنا في هذا الصدد. فالحقيقة التي لا يمكن لأحد أن ينكرها هي أن عملية تحلية المياه تحتاج إلى الكثير من الطاقة. ففي دول مجلس التعاون الخليجي، على سبيل المثال، يتم استهلاك حوالي 50٪ من الطاقة الأولية في التوليد المشترك للطاقة ومحطات تحلية المياه.[10] ويعتبر التناضح العكسي من الحلول الأكثر كفاءة مقارنة بالتحلية الحرارية، ولكن الأمر نسبي: فمتوسط ما تقوم محطة التناضح العكسي بحرقه قد يصل إلى 13 كيلوواط / ساعة لكل ألف جالون.[11] فمن الذي سيدفع مقابل كل تلك الطاقة؟ كلنا ندفع من أجل ذلك في الواقع. ومن المنتظر أن تصل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية الصادرة عن محطات تحلية المياه التي تعمل بالكربون إلى 218 مليون طن في عام 2020.[12] لكن الحل باهظ التكلفة الذي يزيد من تغير المناخ يبعد كل البعد عما نرنو إليه، لا سيما بالنسبة للعديد من البلدان المنخفضة والمتوسطة الدخل والأكثر تضررًا من مشكلة ندرة المياه.

ولحسن الحظ، بدا العالم يلتفت إلى هذا التحدي.

يقول فادي جميل، نائب الرئيس ونائب رئيس مجلس الإدارة في شركة عبد اللطيف جميل: ” لا شك أن إطلاق المزيد من ثاني أكسيد الكربون لحل مشكلة ناجمة عن تغير المناخ في جزء كبير منها يعتبر حلا يفتقر إلى الاستدامة ويحمل في طياته عوامل فشله. وأنا، على الرغم من التحديات، أؤمن أن هناك العديد من الأسباب تجعل الأمر ايجابي. فالتطورات التي شاهدناها مؤخرًا على ساحة التكنولوجيا والبحث والتطوير تشير إلى أن عمليات تحلية المياه المتجددة على وشك إحراز طفرة حقيقة يمكنها أن تحدث تحولاً في أنظمة المياه العالمي”.

عمليات تحلية المياه المتجددة … إمكانات هائلة

حدد التحالف العالمي لتحلية المياه النظيفة هدفًا يتمثل في تشغيل 20٪ من محطات تحلية المياه الجديدة بمصادر الطاقة المتجددة بين عامي 2020-2025.[13] وجديرا بالذكر أن التحالف قد تم تأسيسه من قبل الاتحاد الدولي لتحلية المياه، وهو يضم صناعات الطاقة وتحلية المياه ومرافق المياه والحكومات ومؤسسات التمويل والأوساط الأكاديمية والبحث والتطوير، ويهدف إلى “الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تصدر عن محطات تحلية المياه القائمة، وكذا توسيع نطاق استخدام تقنيات تحلية المياه النظيفة من خلال إجراءات تنسيقية “.[14]

وعلى الصعيد العالمي، تبلغ الحصة الحالية من الطاقة المتجددة المستخدمة في تحلية المياه حوالي 1٪.[15] وتتبنى الحكومات الرائدة مبادرات عديدة للاستفادة من الإمكانات غير المستغلة. فقد قدمت المملكة العربية السعودية هدفا من خلال رؤية 2030 يتمثل في توليد 9.5 جيجاوات من الطاقة المتجددة حتى عام 2023.

وفي غرب أستراليا، يتعين على جميع محطات تحلية المياه الجديدة استخدام الطاقة المتجددة. ومن أوروبا إلى الهند والصين، تسير العديد من الدول الأخرى على الخطى ذاتها. قد تكون هذه الدول ملزمة بخفض الانبعاثات بموجب اتفاقية باريس بشأن تغير المناخ. ولكن المؤكد أنها تقوم بذلك بسبب الأزمات الإنسانية والاقتصادية التي تتعلق بمشكلة ندرة المياه.

فأي نوع من الطاقة ستقوم تلك الدول باستخدامها؟

خيارات متجددة لتحلية المياه

ومن الناحية النظرية، يمكن تشغيل محطات تحلية المياه بواسطة الرياح أو الأمواج أو الطاقة الحرارية الأرضية أو الطاقة الشمسية. ولكل من هذه الأنواع مزاياه وعيوبه، كما هو مبين أدناه.

الرياح

تعتبر الرياح من مصادر الطاقة المتجددة المتعارف عليها والشائعة الاستخدام، وهي يمكنها توليد الكهرباء اللازمة لعمليات تحلية المياه عن طريق التناضح العكسي. والجدير بالذكر أن معظم مشروعات تحلية المياه التي تعمل بالطاقة المتجددة تعتمد على طاقة الرياح.[16] وتعتبر عمليات تحلية المياه التي تعمل بطاقة الرياح مناسبة بشكل خاص للمجتمعات الساحلية والجزرية نظرًا لقربها من مصدر الطاقة ومصادر المياه والمستخدمين.

ووفقًا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) ، تشمل محطات التحلية التي تعتمد على طاقة الرياح محطة جران كناريا (الرياح-التناضح العكسي، مياه البحر، 5-50 متر مكعب/يوميا)  ومحطة فويرتيفينتورا (نظام هجين من الرياح والديزل ، مياه البحر، 56 متر مكعب /يوميا). تقع كلتا المحطتين في جزر الكناري الإسبانية. وهناك أيضًا مركز تكنولوجيا أنظمة الطاقة المتجددة في المملكة المتحدة (الرياح-التناضح العكسي، مياه البحر، 12 متر مكعب/يوميا).[17]

وفي أستراليا، يتم تشغيل محطة تحلية مياه البحر في بيرث، وهي الأولى من نوعها في البلاد، باستخدام الكهرباء المولدة من مزرعة امو داونز لطاقة الرياح والتي تبلغ قدرتها 80 ميجاوات. وتساهم مزرعة الرياح بـ 270 جيجاواط / ساعة سنويًا في شبكة الطاقة، ويفوق ذلك ما يعادل متطلب ال 180 جيجاوات / ساعة سنويًا من محطة تحلية المياه.[18] وبالمثل، يتم تشغيل محطة سيدني لتحلية المياه بالكامل من خلال الاعتماد على مزرعة رياح، وقد أدى ذلك إلى زيادة إمدادات طاقة الرياح في نيو ساوث ويلز بما يزيد عن 700٪.

تعج البحار بطاقة حركية هائلة فاصطدام موجة واحدة يبلغ متوسط ارتفاعها 4 أقدام بالساحل لعشر ثوان ينتج عنه أكثر من 35,000 حصان لكل ميل.[19] وطاقة الأمواج من أنواع الطاقة التي يصعب تسخيرها.[20] على الرغم من ذلك فقد شهد غرب أستراليا مشروع تجريبي واعد في هذا الصدد.  ففي عام 2014، أصبحت جاردن آيلاند أول “مشروع تجاري في العالم يعمل بطاقة الأمواج ليثبت أنه بالإمكان إنتاج الطاقة والمياه العذبة من أمواج المحيط”، وذلك وفقًا لموقع water-technology.[21] ومن المنتظر أيضًا أن يتم إنشاء نظام لتحلية المياه يعتمد على الأمواج في الرأس الأخضر، قبالة الساحل الغربي لأفريقيا. فقد أطلقت ريزوليت مارين انرجى  Resolute Marine Energy المشروع وهى تتوقع للمحطة التي أطلق عليها اسم Wave20 أن تنتج مياه صالح للشرب بثلث سعر الأنظمة التقليدية. ويقوم النظام بتسخير طاقة الأمواج لضغط المياه وضخها إلى محطة معالجة مقامة على الشاطئ، بينما تتحرك سلسلة من المحراكات ذهابًا وإيابًا بواسطة الأمواج لتوليد الكهرباء التي تُستخدم في تحلية مياه البحر.[22]

 طاقة الحرارة الأرضية

يمكن أن تولد طاقة الحرارة الأرضية الكهرباء والحرارة معًا، وهو ما يجعلها مناسبة لعمليتي التحلية الحرارية والتناضح العكسي. وقد أثبت المشروع الذي انطلق في جزيرة ميلوس في اليونان، جدوى طاقة حرارة الأرض في تحلية المياه، حيث أنتج 1920 متر مكعب/ يوميًا من المياه العذبة للمجتمع المحلي بتكاليف منخفضة للغاية.[23] ومع ذلك، فإن ثمة معوقات للعملية ترتبط بشكل ملحوظ بالموقع.

الطاقة الشمسية

ينظر الكثيرون إلي الطاقة الشمسية باعتبارها صاحبة الإمكانات الأكبر فيما يتعلق بعمليات تحلية المياه المستدامة، حيث أنها من المصادر طويلة الأجل للطاقة المتجددة. وهناك طريقتان رئيسيتان لتحلية المياه بالاعتماد على الطاقة الشمسية: وهما الطاقة الشمسية المركزة (سي إس بي CSP) و الطاقة الكهروضوئية (بي في PV). تقوم الطاقة الشمسية المركزة  بتوليد حرارة مباشرة تستخدم عادةً في تبخير المياه في عملية التحلية الحرارية. أما الطاقة الكهروضوئية فتستخدم الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء، والتي تقوم بدورها بتشغيل المضخات الخاصة بالتناضح العكسي. ووفقًا للبنك الدولي “تعد تحلية المياه بالطاقة الشمسية من خلال استخدام التناضح العكسي الذي يعتمد علي الطاقة الكهروضوئية بمثابة الخيار الرائد للطاقة الشمسية، كما أنها المحور الرئيس لإجراء المزيد من البحوث.”[24]

تتوافر الطاقة الشمسية بصورة ملحوظة في المناطق المشمسة الجافة. وتلك المناطق تحتاج إلى عمليات تحلية المياه أكثر من غيرها. وتتميز هذه المناطق أيضًا بوجود مساحات صحراوية أو برية شاسعة وهو ما يوفر المساحة المطلوبة لبناء محطات جديدة. ووفقًا لـمجلة ابلايد ووتر ساينس Applied Water Science، “نحو 75٪ من محطات التحلية الحرارية توجد في الدول العربية. نصف هذه المحطات ينتشر في المملكة العربية السعودية وحدها”.[25] ولا تعد التحلية الحرارية، التي تتم باستخدام الطاقة الشمسية المركزة، فعالة مثل التحلية عن طريق التناضح العكسي، ولكنها تعتبر أفضل في معالجة المياه الأكثر ملوحة الموجودة في هذه المناطق، والتي يمكن أن تصل نسبة الملوحة فيها إلى 45 أو حتى 50 جرامًا لكل لتر (جم / لتر). حيث إن التركيزات العالية من الملح يمكن أن تؤدي إلى إتلاف الغشاء المستخدم في عملية التناضح العكسي.[26]

ومعظم مشروعات تحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية صغيرة إلى متوسطة الحجم ولكنها في طور التحول إلى مشروعات أكبر. وتوجد أكبر محطة لتحلية المياه باستخدام الطاقة الكهروضوئية في المملكة العربية السعودية، وهي محطة الخفجي التي بدأ تشغيلها في عام 2017، وتنتج يوميا 60 ألف متر مكعب من مياه الشرب من خلال عملية التناضح العكسي[27]. وثمة المزيد من المحطات قيد التنفيذ. حيث سيبدأ تشغيل محطة ماتيتو في مدينة الملك عبدالله الاقتصادية (كيه إيه إي سي KAEC) بطاقة إنتاجية تصل إلى 30 ألف متر مكعب من مياه الشرب يوميًا، يمكن زيادتها في المستقبل إلى 60 ألف متر مكعب يوميًا.[28]

وتلعب شركة عبد اللطيف جميل دورًا فعالا في مواجهة تحديات تحلية المياه من خلال شركة ألمار لحلول المياه.

وألمار لحلول المياه هي شركة تابعة لشركة عبد اللطيف جميل للطاقة، وهي متخصصة في توفير القدرات التقنية لتطوير البنية التحتية للمياه، بما في ذلك التصميم والتمويل والتشغيل. كما إنها شركة شقيقة لشركة فوتواتيو لمشاريع الطاقة المتجددة، وهي شركة متخصصة في مجال الطاقة المتجددة.

وفي يناير 2019، حصلت شركة ألمار لحلول المياه على عقد في المملكة العربية السعودية لتطوير مشروع محطة الشقيق 3 لإنتاج المياه المحلاة، والتي تعد إحدى أكبر محطات تحلية المياه التي تعتمد على تقنية التناضح العكسي في العالم. تقع المحطة بالقرب من مدينة الشقيق الواقعة على البحر الأحمر. ومن المنتظر أن يوفر المشروع، عند اكتماله في عام 2021، 450 ألف متر مكعب من المياه النظيفة يوميًا.

إن هذا المشروع، والذي يبلغ حجم استثماراته 600 مليون دولار أمريكي، يحتفل الآن بمرور عام على أول عملية حفر تمت في الموقع وتسجيل أكثر من 3 ملايين ساعة عمل آمنة في الموقع لحوالي 2,300 عامل.

كما تم التعاقد مع شركة ألمار لحلول المياه لبناء أول محطة كبيرة لتحلية المياه في كينيا في مدينة مومباسا، وهي ثاني أكبر مدينة في البلاد. وبمجرد بدء التشغيل، سوف توفر هذه المحطة 100,000 متر مكعب من مياه الشرب لأكثر من مليون شخص.

أحيانًا تكون الطرق القديمة هي الأفضل

تعتبر وحدات التقطير التي تعمل بالطاقة الشمسية من أقدم تقنيات تحلية المياه التي تعتمد على الطاقة الشمسية. حيث يتم استخدام الطاقة الشمسية في تبخير المياه العذبة، وتكثيفها على سطح حاوية ثم تجميعها في القاع. وتتميز وحدات التقطير التي تعمل بالطاقة الشمسية بانخفاض التكلفة وانبعاثات الكربون، لكنها منخفضة الانتاجية أيضا – وهو ما يجعلها مناسبة بشكل أفضل للمجتمعات الصغيرة ذات الدخل المنخفض غير المتصلة بالشبكات. وقد أضافت الابتكارات الحديثة أغشية[29] وأُطرًا معدنية عضوية تقوم بفصل الملح والشوائب الأخرى[30]. كما طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والصين ” نظام تحلية سلبي يعمل بالكامل بالطاقة الشمسية”، والذي “يمكن أن يوفر أكثر من 1.5 جالونًا من مياه الشرب العذبة في الساعة لكل متر مربع من منطقة تجميع الطاقة الشمسية.”[31]

وقد تم تمويل بعض المشروعات في المنطقة من قبل معمل عبد اللطيف جميل للماء والغذاء (J-WAFS) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والذي تم تأسيسه عام 2014 بالتعاون ما بين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومجتمع جميل.

 مياه رخيصة الثمن… ومكلفة

يتعين على جميع مشروعات تحلية المياه أن تقوم بتوفير المياه العذبة بطريقة فعالة من حيث التكلفة، وأن تضمن في الوقت نفسه التخلص الآمن من المحلول الملحي. ويعد نقل المياه أمرا مكلفا بالنسبة إلى قيمتها، وذلك بسبب كثافة المياه. كما تتطلب المياه منخفضة الجودة معالجة مسبقة، وهو ما يزيد من التكلفة. وغالبًا ما يتم إنشاء محطات تحلية المياه التي تستخدم الوقود الحفري بالقرب من محطات توليد الطاقة فيكون ذلك خارج المدينة؛ أما المشروعات الجديدة التي تستخدم الطاقة المتجددة فمن الممكن أن تقام بالقرب من المستخدمين النهائيين، وهو ما يؤدى إلى خفض تكلفة التوزيع ومواجهة مخاطر تسرب النفايات.

ويعتبر الحد من النفايات التي تنتج عن عمليات تحلية المياه من الأمور الجوهرية أيضًا. فإذا زادت عمليات تحلية المياه بالوتيرة الحالية، سينتج ذلك بحلول عام 2050 ما يصل إلى 240 ألف متر مكعب من المحلول الملحي والنفايات الأخرى سنويًا. وهذه النفايات قد تكون جد ضارة بالبيئة البحرية. وتشير الأبحاث إلى أن “تقنية دورة الامتصاص” المدمجة (وهي عبارة عن مضخة حرارية كيميائية تستخدم مواد صلبة مسامية أو “ممتصة”)، والتي تعمل باستخدام الطاقة الشمسية أو الحرارة الصناعية منخفضة الدرجة، يمكن أن توفر 99٪ من الطاقة وأكثر من 150٪ من النفايات الكيميائية التي تتسرب إلى البحر. أما بالنسبة للعمليات الحرارية، فمن المنتظر أن يؤدى النمط الهجين إلى تحسين كفاءة الطاقة إلى 39٪ كما أنه سيقلل من النفايات الكيميائية بأكثر من 80٪.[32]

طاقة غير محدودة … ولا يمكن الاعتماد عليها

يعد تقطع إمدادات الطاقة بمثابة العقبة الأكبر أمام عمليات تحلية المياه باستخدام الطاقة المتجددة. فهناك عدة استراتيجيات للتطوير المتواصل الذي يهدف إلى معالجة هذه المشكلة والتقليل من حدتها أو التغلب عليها:

الاتصال بالشبكة

تعتمد عملية التناضح العكسي على البطاريات لتخزين الكهرباء وعلى الرغم من أن تقنية البطاريات تشهد تحسنا مستمرا، إلا أنها لا تزال باهظة الثمن، مما يعني أن العديد من المحطات تحتاج إلى الاتصال بالشبكة كي تحصل على باقي احتياجاتها من الطاقة. وعندما تقوم محطات الطاقة المتجددة بتوليد كميات من الطاقة تفوق ما يتم استخدامه، يمكن بيع هذا الفائض للشبكة. وعند نقطة معينة، يمكن أن يغطي ذلك تكاليف تحلية المياه. (كما يمكن للمحطات أيضًا تخزين الطاقة الشمسية الزائدة في المياه العذبة؛ وعندما يتراجع الطلب على الكهرباء، يمكن للمحطات ببساطة إنتاج المزيد من المياه العذبة).

ويعتبر الاتصال بالشبكة من وسائل الأمان بالنسبة للبلدان التي ترغب في الاستثمار في مجال تحلية المياه باستخدام الطاقة المتجددة. ففي المملكة العربية السعودية والبحرين، على سبيل المثال، نرى اعتمادًا بشكل كامل على تحلية المياه في توفير المياه الصالحة للشرب. وهاتان الدولتان لا يمكنهما المخاطرة بإمدادات المياه. على الرغم من ذلك، فإن تحلية المياه باستخدام الطاقة المتجددة لا يمكن اعتبارها تطبيقًا حقيقيًا لاستخدامات الطاقة المتجددة طالما أنها لاتزال تعتمد على مصدر طاقة خارجي. ولحسن الحظ، ثمة سبيلان مختلفان يمكن من خلالهما خفض الاعتماد على الشبكة… وربما بشكل كامل.

التخزين الحراري

يرى الخبراء أن الطاقة الشمسية المركزة هي أكثر تقنيات الطاقة الشمسية قابلية للتطبيق ويرجع ذلك إلى قيمتها المعروفة في مجال الطاقة. فعلى سبيل المثال، يمكن لمحطات الطاقة الشمسية المركزة أن توفر طاقة أكثر ثباتا مقارنة بالمحطات الكهروضوئية، والتي تتأثر بشكل كبير بالغيوم العابرة على سبيل المثال. وببساطة، إذا تمكنت محطات الطاقة الشمسية المركزة من تخزين حرارة كافية، سيمكنها الاستمرار في العمل عندما لا تكون الشمس ساطعة – بل وربما أثناء الليل. وحاليًا، تتراوح كفاءة معظم أنظمة التخزين الحراري بين 8٪ إلى 16٪. ووفقًا للبنك الدولي “من المتوقع، خلال عقد أو عقدين، أن تؤدي التطورات التقنية إلى زيادة الكفاءة إلى معدل يتراوح بين 15٪ و25٪”.[33]

وتشهد المرحلة الحالية إجراء العديد من الأبحاث التي تهدف إلى تطوير أسطح جديدة للتبادل الحراري تعتمد على مواد بوليمرية وذلك لاستخدامها في محطات التقطير الحراري. ويمكن لمثل هذه التطورات أن تقلل إلى حد كبير من تأثير تكلفة الاستثمار على التكلفة النهائية للمياه العذبة.[34] وقد تم طرح أكسيد المغنيسيوم (MgO) كنظام تخزين طاقة فعال لتخزين الطاقة الحرارية الشمسية واستخدامها وقت الحاجة. ويتم إطلاق الحرارة المتولدة أثناء النهار ليلاً من خلال الامتصاص / التشرب الباعث للحرارة، والذي يمكنه المساعدة في توفير الطاقة اللازمة للتشغيل على مدار 24 ساعة، كما يمكنه في الوقت نفسه  خفض انبعاثات الكربون.[35]

المحطات الهجينة

ويمكن الدمج بين التقنيات المختلفة لتحلية المياه لزيادة الفعالية. حيث يعمل التوليد المشترك للطاقة الشمسية المركزة على إعادة توجيه الحرارة المهدرة من التوربينات البخارية التي تمد الشبكة بالكهرباء واستخدامها في التقطير متعدد التأثير منخفض الحرارة (إم إي دي MED)، وهو نوع من التحلية الحرارية. فعلى سبيل المثال، تستغل مزارع صن دروب Sundrop Farms، توافر الشمس في أستراليا وتقوم بدمج عمليات الطاقة الشمسية المركزة والتقطير متعدد التأثيرات منخفض الحرارة لغرض إنتاج المياه العذبة وطاقة الحرارة اللازمة لزراعة الطماطم، وهو ما يدل على جدوى مشروعات الطاقة المتجددة الهجينة واسعة النطاق[36].

من ناحية أخرى، يساعد الدمج بين طرق تحلية المياه المختلفة في الحد من سلبياتها. فعلى سبيل المثال، تعد محطات التناضح العكسي، التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية، أكثر كفاءة مقارنة بمحطات الطاقة الشمسية المركزة من الناحية النظرية، ولكن ذلك فقط إذا كانت تلك المحطات قادرة على انتاج مياه ذات جودة أفضل. وتعتبر محطات الطاقة الشمسية المركزة أكثر فعالية فيما يتعلق بمعالجة المياه شديدة الملوحة. على الرغم من ذلك، يجب أن يكون مصدر الحرارة المستخدمة في عمليات التحلية الحرارية متوافر في موقع المحطة. فمحطات الطاقة الشمسية المركزة لا تعمل بكفاءة على السواحل، حيث تكون الشمس أقل قوة كما يمكن أن يسبب الهواء المالح التآكل. ويتمثل الحل في هذه الحالة في إلحاق محطة الطاقة الشمسية المركزة الداخلية بمحطة تناضح عكسي ساحلية تعمل بالطاقة الكهروضوئية؛ فيصبح من السهل نقل الكهرباء التي تولدها الخلايا الكهروضوئية، بينما تظل الطاقة الحرارية الناتجة من الطاقة الشمسية المركزة في الموقع.[37]

وفي تشيلي، تجمع شركة فوتواتيو لمشاريع الطاقة المتجددة FRV بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية وطاقة البطاريات لتوفير طاقة متجددة على مدار الساعة وطوال أيام الأسبوع، بغض النظر عن الطقس أو سرعة الرياح أو ضوء النهار.[38] ويمكن لمثل هذا النوع من المصادر الهجينة من الطاقة المتجددة توفير طاقة “خضراء” غير محدودة لتحلية المياه. وتعتبر المياه الجوفية قليلة الملوحة في تكساس من أبرز المواقع الأخرى المقترحة لإطلاق عمليات تحلية المياه باستخدام محطات هجينة تجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية. والولاية، التي كثيرًا ما تتعرض لموجات الجفاف، تتمتع بشمس ساطعة وتعتبر أكبر منتج لطاقة الرياح في الولايات المتحدة.[39] كما أنها تعد الأقل من حيث التكلفة بين أقاليم الولايات المتحدة فيما يتعلق بتنفيذ هذه المشروعات.

 ابتكارات لا تتوقف

وثمة طريقة أخرى للتغلب على تحديات الطاقة التي ترتبط بعمليات تحلية المياه تتمثل في جعل العملية نفسها أكثر كفاءة.

لقد أدت التطورات والابتكارات المتواصلة منذ سبعينيات القرن الماضي إلى خفض استهلاك طاقة التناضح العكسي بمقدار العشر، مع توقعات بانخفاض التكاليف بنسبة تصل إلى الثلثين خلال العقدين المقبلين[40]. وهناك طرق متعددة لتحقيق ذلك. فعلى سبيل المثال، تستخدم محطة مسكارا لتحلية المياه بالطاقة المتجددة في أبو ظبي جهاز طاقة متساوي الضغط لاستعادة الطاقة من المحلول الملحي عالي الضغط.

ويركز العديد من الباحثين على كيفية حماية غشاء التناضح العكسي من الأملاح والمواد النشطة بيولوجيًا، وهو ما يؤدى بدوره إلى تحسين الكفاءة وخفض التكاليف[41]. وقد قام Xuanhe Zhao، الأستاذ في معمل عبد اللطيف جميل للماء والغذاء (J-WAFS) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بنشر بحثً حول تقنية تنظيف الغشاء تعتمد على الاهتزاز مع إمكانية تحسين العمر التشغيلي للغشاء وكفاءته بالإضافة إلى خفض تكاليف التناضح العكسي.[42] وتقوم محطة مسكارا بتنظيف أغشيتها بشكل تلقائي قبل غروب الشمس لتجنب الاوساخ / الملوثات الحيوية المترسبة كما تقوم بضبط إنتاج المياه ليتناسب مع إمدادات الطاقة على مدار اليوم.[43]

وثمة مشروع آخر يضم باحثين من معمل عبد اللطيف جميل للماء والغذاء، وهو نظام لتحلية المياه يعمل بالطاقة الشمسية في الصين، ويمكن أن ينتج أكثر من 1.5 جالون من مياه الشرب العذبة في الساعة اعتمادا على متر مربع واحد من الألواح الشمسية. حيث يستخدم هذا النظام عالي الكفاءة الحرارة المنبعثة من كل مرحلة لتشغيل المرحلة التالية. ووفقًا لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، “يمكن لمثل هذه الأنظمة أن تخدم المناطق الساحلية الجافة الغير متصلة بالشبكة لتوفير مصدر مياه ذي كفاءة ومنخفض التكلفة”.[44]

ويعد التناضح الأمامي من الوسائل البحثية الواعدة التي يمكنها أن تنافس التناضح العكسي التقليدي الذي يعمل بالطاقة الكهروضوئية. وعلى غرار التناضح العكسي، يستخدم التناضح الأمامي أيضًا غشاءً شبه نفاذ، ولكنه يستخدم محلول “سحب”، بدلاً من الضغط الهيدروليكي، وهو ما يتطلب طاقة أقل بكثير.[45]

مصروفات وإنفاق، أم مستقبل مشرق؟

تعتبر طاقة الرياح الأوفر من حيث التكلفة مقارنة بالوقود الأحفوري. فبحسب تقرير البنك الدولي لعام 2019[46]، تمثل تكلفة الطاقة الشمسية في الغالب الضعف تقريبا إذا تم استخدامها في الغرض نفسه. على الرغم من ذلك فإنه من المتوقع أن تنخفض تكلفة عمليات التحلية الحرارية التي تعتمد على الطاقة الشمسية بنسبة 40٪ أو أكثر بحلول عام 2025، وبأكثر من النصف لتصل إلى 0.90 دولارًا أمريكيًا لكل متر مكعب بحلول عام [47]2050. وتعد الطاقة الشمسية بالفعل بمثابة الخيار الأرخص في بعض المناطق النائية التي يعتبر الوصول فيها إلى شبكة الطاقة أمرا مكلفا للغاية. ولعل التعرفة المسجلة لمشروع سكاكا في المملكة العربية السعودية، والتي تبلغ 1.75 سنتًا / كيلوواط / ساعة، تعكس حقيقة أن الطاقة المتجددة يمكن أن تنافس الوقود الأحفوري بقوة من حيث التكلفة.[48]

ويقول كارلوس كوزين، الرئيس التنفيذي لشركة ألمار لحلول المياه، التابعة لشركة عبد اللطيف جميل للطاقة: ” من الواضح بالنسبة لي أن مستقبل تحلية المياه سيعتمد على مصادر الطاقة المتجددة. و في منطقة الشرق الأوسط يحتاج الأمر إلى بعض الوقت ليس أكثر. ففي أقل من خمس سنوات، ستشهد تكنولوجيا البطاريات تطورًا ملحوظًا و يمكن لنا بعد ذلك  أن نحظى بمحطات مستقلة لتحلية المياه تعمل بالطاقة الشمسية”. والكهروضوئية. ليس لدي شك في ذلك“.

الطاقة الكهروضوئية قد تتفوق على الديزل في مصر

سلطت إحدى دراسات الحالة التي نشرت في المجلة الدولية للاقتصاد والعلوم الإدارية الضوء على إمكانات عمليات تحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية. حيث أظهرت الدراسة كيف يمكن لمحطة التناضح العكسي التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية أن تنتج المياه بتكلفة 1,213دولارًا أمريكيًا، مقارنةً بالتكلفة المتغيرة لمحطة تحلية تعمل بطاقة الديزل التقليدية (وتعتمد على تقلبات أسعار الوقود)، والتي تبلغ  1,118دولارًا أمريكيًا لكل 1,555 متر مكعب.[49]

ركزت دراسة الحالة على مصر، حيث أعلنت شركة عبد اللطيف جميل للطاقة مؤخرًا عن استحواذها على 58 محطة لتحلية المياه. ولعل المعدلات السنوية المرتفعة والممتازة لعزل الطاقة الشمسية والتي تبلغ 2,500 كيلو واط/ ساعة/ متر مربع، يجعل البلاد في وضعية جيدة فيما يتعلق بتحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية. والجدير بالذكر أن مصر في أمس الحاجة إلى تلك المشروعات، خاصة بعد أن أصبح النيل غير كافياً لتلبية الاستهلاك المتزايد من المياه في البلاد.[50]

وتمضي عمليات التطوير في مجال الطاقة المتجددة قدمًا بدعم المنظمات التي تساعد المجتمعات التي لا تستطيع تحمل تكلفة هذا التطوير. حيث توفر مؤسسة جيف باور GivePower غير الهادفة للربح أنظمة تحلية مياه تعمل بالبطاريات والطاقة الشمسية للمجتمعات الفقيرة حول العالم.[51] وتقع واحدة من تلك المحطات الخاصة بتحلية المياه في كينيا وتوفر قرابة الـ 19,800جالون من المياه الصالحة للشرب يوميًا لعامين وهو ما يكفي لسد احتياجات نحو 25,000 شخص[52]. وعلى الرغم من أن المساعدات دائمًا ما تكون موضع ترحيب، إلا أن الأعمال الخيرية وحدها لن تقدم حلاً للتحدي الاقتصادي الذي يواجه عمليات تحلية المياه باستخدام الطاقة المتجددة. فالحكومات يتعين عليها التحرك واتخاذ ما تراه مناسبا من إجراءات.

عمليات تحلية المياه المتجددة تتطلب لوائح جديدة

ساعدت العديد من الإجراءات التي تم اتخاذها وسبل الدعم على إطلاق ثورة الطاقة المتجددة في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، وذلك من خلال تطوير سلاسل الامدادات وخفض التكاليف. والأمر ذاته مطلوب لتحلية المياه باستخدام الطاقة المتجددة.

ووفقا للأمم المتحدة، سيكون من الضروري اعتماد المزيد من “الآليات المالية المبتكرة” من أجل “دعم استدامة مشروعات تحلية المياه“. وكما أفاد البنك الدولي: “يمكن أن يتمثل الدعم في مزيج من الإصلاحات ذات الصلة بسياسة الطاقة مثل رفع الدعم عن الوقود الأحفوري من أجل إزالة المعوقات، وخلق بيئة مواتية لعقد اتفاقيات شراء الطاقة على المدى الطويل ولتعرفات التغذية فيما يخص الطاقة المتجددة. كل ذلك بالإضافة إلى دعم الاستثمارات الأولية والبحث والتطوير فيما يتعلق بالطاقة المتجددة“.

كما تتضمن الاقتراحات المقدمة من القائمين على هذه الصناعة تقديم مكافأة عن كل متر مكعب من المياه التي يتم انتاجها، أو تقديم ضمانات من الدولة بأنها ستشتري كل متر مكعب من المياه “النظيفة” التي يحتاجها الجمهور.[53]

 إحراز تقدم بلا سلبيات ممكن

يتزايد الطلب على المياه، وكذلك آثار التغير المناخي.

تحلية المياه بالاعتماد على الطاقة المتجددة لا تمثل مجرد فرصة وحسب… بل هي ضرورة. ولحسن الحظ، من الممكن تجاوز المعوقات، على الرغم من ضخامتها، فبالابتكار والاستثمار والتعاون الدولي، سيتمكن العالم من أن يروي ظمأه من المياه العذبة المستدامة.

[1] http://www.fao.org/zhc/detail-events/en/c/880881/

[2] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/water-a-human-and-business-priority

[3]  https://www.who.int/news-room/detail/18-06-2019-1-in-3-people-globally-do-not-have-access-to-safe-drinking-water-unicef-who

[4]  https://www.environmentalleader.com/2016/05/will-clean-energy-desalination-be-a-game-changing-water-fix/

[5]  https://www.wri.org/news/2019/07/release-updated-global-water-risk-atlas-reveals-top-water-stressed-countries-and-states

[6]   https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/climate-risk-and-response-physical-hazards-and-socioeconomic-impacts

[7]  https://www.worldbank.org/en/topic/water/publication/high-and-dry-climate-change-water-and-the-economy

[8]   https://idadesal.org/

[9]   https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[10]  https://www.intechopen.com/books/water-and-wastewater-treatment/desalination-with-renewable-energy-a-24-hours-operation-solution

[11]  https://www.nationalgeographic.com/environment/2019/01/desalination-plants-produce-twice-as-much-waste-brine-as-thought/

[12]  القمة العالمية للمياه 15-18 يناير 2018 – تحلية المياه وكفاءة الطاقة

[13] https://idadesal.org/

[14]   http://climateinitiativesplatform.org/index.php/Global_Clean_Water_Desalination_Alliance_(GCWDA)

[15]   تحلية المياه باستخدام الطاقة المتجددة – الوكالة الدولية للطاقة المتجددة

[16]  http://documents1.worldbank.org/curated/en/476041552622967264/pdf/135312-WP-PUBLIC-14-3-2019-12-3-35-W.pdf

[17]  https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2012/IRENA-ETSAP-Tech-Brief-I12-Water-Desalination.pdf

[18]  http://www.awa.asn.au/AWA_MBRR/Publications/Fact_Sheets/Desalination_Fact_Sheet.aspx

[19]   https://www.oceanenergycouncil.com/ocean-energy/wave-energy/#:~:text=Kinetic%20energy%2C%20the%20energy%20of,horsepower%20per%20mile%20of%20coast

[20]  https://e360.yale.edu/features/why_wave_power_has_lagged_far_behind_as_energy_source

[21]  https://www.water-technology.net/projects/ceto-wave-powered-desalination-pilot-plant-garden-island/

[22]  https://www.aquatechtrade.com/news/desalination/desalination-wave-powered/#

[23]  https://www.researchgate.net/publication/258926982_Geothermal_Research_in_Vounalia_Area_Milos_Island_Greece_for_Seawater_Desalination_and_Power_Production

[24]   http://documents1.worldbank.org/curated/en/476041552622967264/pdf/135312-WP-PUBLIC-14-3-2019-12-3-35-W.pdf

[25]  https://link.springer.com/article/10.1007/s13201-020-1168-5

[26]  https://www.solarpaces.org/blueprint-solar-desalination/

[27] https://www.water-technology.net/projects/al-khafji-solar-saline-water-reverse-osmosis-solar-swro-desalination-plant/

[28]  https://www.metito.com/news-detail/metito-signs-a-project-worth-220-million-saudi-riyals-to-establish-desalination-plant-and-solar-electricity-generation-in-king-abdullah-economic-city/

[29]  https://www.water-technology.net/news/technology-seawater-drinking-water-30-minutes/

[30]  https://www.renewableenergymagazine.com/emily-folk/solar-technology-could-increase-global-access-to-20200821

[31]  https://techxplore.com/news/2020-02-simple-solar-powered-desalination.html

[32]  https://www.intechopen.com/books/desalination-and-water-treatment/renewable-energy-driven-desalination-hybrids-for-sustainability

[33]  http://documents1.worldbank.org/curated/en/476041552622967264/pdf/135312-WP-PUBLIC-14-3-2019-12-3-35-W.pdf

[34]  https://www.solarpaces.org/blueprint-solar-desalination/

[35]  https://www.intechopen.com/books/water-and-wastewater-treatment/desalination-with-renewable-energy-a-24-hours-operation-solution

[36] https://www.alfalaval.com/globalassets/documents/media/here-magazine/34/here_34_how_to_grow_tomatoes_in_the_desert_mep_desalination.pdf

[37]  https://www.solarpaces.org/blueprint-solar-desalination/

[38]  https://frv.com/en/frv-awarded-540-gwh-in-chile/

[39]  https://www.earthmagazine.org/article/can-renewable-energy-and-desalination-tackle-two-problems-once

[40]  https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf

[41]  Treating A Moving Target: Harmful Algal Blooms

[42]  https://www.alj.com/en/perspective/j-wafs-action-good-vibrations-reducing-cost-water-desalination/

[43]   https://www.waterworld.com/international/desalination/article/16201273/desalination-renewables-a-long-engagement-without-the-wedding

[44]  http://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207

[45]  https:// www.environmentalleader.com/2016/05/will-clean-energy-desalination-be-a-game-changing-water-fix/

[46]  http://documents1.worldbank.org/curated/en/476041552622967264/pdf/135312-WP-PUBLIC-14-3-2019-12-3-35-W.pdf

[47]  http://documents1.worldbank.org/curated/en/476041552622967264/pdf/135312-WP-PUBLIC-14-3-2019-12-3-35-W.pdf

[48]  https://www.waterworld.com/international/desalination/article/16201273/desalination-renewables-a-long-engagement-without-the-wedding

[49]  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916402010913

[50]  ^{https://www.nytimes.com/interactive/2020/02/09/world/africa/nile-river-dam.html}

[51]  https://bigthink.com/technology-innovation/solar-power-desalination

[52]  https://bigthink.com/technology-innovation/solar-power-desalination

[53]   https://www.solarpaces.org/blueprint-solar-desalination/